CN220767189U - 一种电解槽装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电解槽装置，该装置包括依次布置的阴极板、阴极网、隔膜、阳极网、阳极板，以及阴极小室反应通道、阳极小室反应通道、碱液入口腔室、氢气分离腔室、氧气分离腔室、阴极降液通道与阳极降液通道。与现有技术相比，本实用新型可以降低水电解系统的复杂程度、减少碱液在水电解系统的持液量、提高水电解槽的运行效率与利用效率等。

Description

一种电解槽装置

技术领域

本实用新型属于电解槽设备技术领域，涉及一种电解槽装置，特别涉及一种内置自循环换热多系统一体化高效电解槽装置。

背景技术

随着日益增长的低碳减排需求，氢的绿色制取技术受到广泛重视，利用可再生能源进行电解水制氢是目前众多氢气来源方案中碳排放最低的工艺。氢气在储能、化工、冶金、分布式发电等领域的推广应用，成为控制温室气体排放、减缓全球温度上升的有效途径之一。坚持氢能绿色利用的初衷，积极发展以质子交换膜电解水制氢为代表的绿氢制备技术，实现与可再生能源的融合发展。

目前在市场化进程方面，碱水电解(AWE)作为最为成熟的电解技术占据着主导地位，尤其是一些大型项目的应用。AWE采用氢氧化钾(KOH)水溶液为电解质，分离水产生氢气和氧气。

通常，碱性水电解系统都包含电解槽1`、氢氧分离系统，碱液循环系统和换热系统。其中氢氧分离系统包含：氢气分离器2`，氧气分离器3`，氢气产品冷却器和氧气产品冷却器及其附属管线和阀门；碱液循环系统则包括：碱液循环泵、碱液过滤器、碱液控制阀及其附属管线；换热系统则包括：碱液换热器，如图1所示。

此系统设计存在如下不足：

(1)传统碱液水电解系统中，采用的是电解槽外部移除热量设计。除了电解槽是主要工艺设备，其它氢氧气分离系统、碱液循环系统和碱液换热单元均为附属装置。通常该附属装置将占据传统水电解系统总建造成本的20～30％。

(2)传统碱液水电解系统的氢氧气分离系统、碱液循环系统和碱液换热单元等附属装置需要提供额外的占地。以上子系统通常需要占整个传统碱液水电解系统占地的25～40％；

(3)传统碱液水电解系统的碱液循环系统通常需要采用外部强制循环移除热量的设计。增加了泄露的风险点。大大降低了装置的安全性。

(4)传统碱液水电解系统的碱液循环管路为了降低制造成本，大都采用不锈钢材质。然而为了降低碱液对管道的腐蚀速率，操作温度不宜超过90℃。因此碱液在水电解过程中产生的低温废热很难被利用。造成能量的浪费。

(5)由于碱液的操作温度不宜过高，然而电解液的电阻与温度成反比。温度越高电解的效率液越高。因此传统水电解系统受制于操作温度的限制，导致电解质溶液电阻消耗较高。

(6)传统碱液水电解装置在阴阳小室内发生的是绝热反应，小室内流速较低。如果局部产生热量过大很难快速移除，最终导致隔膜受损。

(7)传统碱液水电解装置的气液分离器和循环管路系统有比较大的持液量。在运行之前需要注满碱液，因此需要购买大量的KOH配置碱液。然而碱液运行一段时间之后需要进行更换，那么增大了废碱液的处理量。尤其为了保证电解效率需要增加V2O5，那么系统持液量越大V2O5消耗也越大；

(8)传统碱液水电解装置的气液分离器和循环管路系统有比较大的持液量，导致在开车过程中碱液升温过程较长。

因此，若能将氢氧气分离系统，碱液循环系统和碱液换热系统进行高度一体化设计，则可以有效解决上述流程的不足之处。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了提供一种电解槽装置与方法，以降低水电解系统的复杂程度、减少碱液在水电解系统的持液量、提高水电解槽的运行效率与利用效率等。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

本实用新型的技术方案之一提供了一种电解槽装置，包括电解槽本体、以及安装在电解槽本体中的若干依次布置的碱液水电解单元，每个碱液水电解单元包括依次布置的阴极板、阴极网、隔膜、阳极网、阳极板，以及根据碱液流动特性加工或形成的阴极小室反应通道、阳极小室反应通道、碱液入口腔室、氢气分离腔室、氧气分离腔室、阴极降液通道与阳极降液通道。

进一步的，所述碱液入口腔室、阴极小室反应通道、氢气分离腔室与阴极降液通道依次连通并构成阴极碱液自然循环回路，所述碱液入口腔室、阳极小室反应通道、氧气分离腔室与阳极降液通道液依次连通并构成阳极碱液自然循环回路，相邻两个碱液水电解单元中相对设置的阴极板和阳极板之间还形成有循环冷却水通道。

进一步的，所述阴极小室反应通道由阴极板的一侧、阴极网与隔膜一侧形成。

进一步的，所述阳极小室反应通道则由阳极板的一侧、阳极网与隔膜另一侧形成。

进一步的，所述阴极降液通道、阳极降液通道与循环冷却水通道三者相互独立，并位于阴极板或阳极板的同一侧。

进一步的，所述循环冷却水通道布置在阴极板与阳极板的中部区域。

进一步的，所述阴极板与阳极板的顶部和底部的中间位置均分别设置有循环冷却水出口腔室和循环冷却水入口腔室，所述循环冷却水出口腔室和循环冷却水入口腔室分别连接所述循环冷却水通道的上下两端。

进一步的，所述阴极板和阳极板的正反两面均加工有花纹，其花纹形状满足提供流体分布与换热需求。

进一步的，位于阴极板和阳极板底部的碱液入口腔室集成为一个整体腔室；

或所述碱液入口腔室分为分别对应阴极板和阳极板的阴极碱液入口腔室和阳极碱液入口腔室，此时，所述阴极碱液入口腔室与所述阳极降液通道连通，所述阳极碱液入口腔室与所述阴极降液通道连通。

进一步的，所述碱液水电解单元还包括用于固定阴极板和阳极板的极框，以及设置在两极框之间用于密封的垫片。

进一步的，所述阴极小室反应通道与氢气分离腔室、阳极小室反应通道与氧气分离腔室的连接位置满足：从阴极小室反应通道和阳极小室反应通道产生的含有氢气和氧气的碱液分别从上部进入所述氢气分离腔室和氧气分离腔室。

本实用新型的技术方案之二提供了一种碱水电解方法，其基于如上任一所述的内置自循环换热多系统一体化高效电解槽装置，该方法包括以下步骤：

(1)当阴极板和阳极板通电时，碱液从碱液入口腔室分别进入阴极小室反应通道和阳极小室反应通道，并分别在阴极网和阳极网表面上发生电解产生氢气和氧气，得到含氢气气泡的碱液和含氧气气泡的碱液；

(2)含氢气气泡的碱液、含氧气气泡的碱液分别沿阴极小室反应通道和阳极小室反应通道上升进入氢气分离腔室和氧气分离腔室，进行气液分离，分离后的碱液液相分别通过阴极降液通道和阳极将夜通道返回碱液入口腔室，这样，依靠气液两相密度差形成阴极碱液自然循环回路和阳极碱液自然循环回路；

(3)循环冷却水通道中的循环冷却水持续运行，带走阴极板和阳极板上电解反应产生的热量。

与现有技术相比，本实用新型直接将传统碱液水电解系统中的氢氧分离器单元，循环管路单元和碱液换热单元都高度集中一体化设计，相比较于传统碱液水电解装置，本实用新型的自循环多系统一体化的设计可以降低水电解系统的复杂程度；可以降低20～30％水电解系统的建造成本；也可以减少水电解系统的占地；也可以减少碱液在水电解系统的持液量，不仅节省了初期KOH投入量，而且也减少了后期废碱液的排放量，同时也节省了开车碱液升温的时间；也可以通过热量管理设计来提高水电解槽的运行效率；根据需要，还可以产生90～110℃的热水，大大提高水电解废热的利用效率。

附图说明

图1为传统碱液电解水流程图；

图2为本实用新型的电解流程示意图；

图3为本实用新型的碱液水电解单元的结构示意图；

图4为实施例1中碱液水电解单元的结构示意图；

图5为实施例2中碱液水电解单元的结构示意图；

图6为实施例3中碱液水电解单元的结构示意图；

图中标记说明：

1`-电解槽，2`-氧气分离器，3`-氢气分离器；

1-电解槽本体，2-阴极板，3-阳极板，4-隔膜，5-阴极网，6-阳极网，7-阴极小室反应通道，8-阳极小室反应通道，901-阳极碱液入口腔室，902-阴极碱液入口腔室，10-氢气分离腔室，11-氧气分离腔室，12-阴极降液通道，13-阳极降液通道，14-循环冷却水通道，15-循环冷却水出口腔室，16-循环冷却水入口腔室，17-极框。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

以下各实施方式或实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或常规结构。

为降低水电解系统的复杂程度、减少碱液在水电解系统的持液量、提高水电解槽的运行效率与利用效率等，本实用新型提供了一种电解槽装置，其结构可参见图2至图6等所示，包括电解槽本体1、以及安装在电解槽本体1中的若干依次布置的碱液水电解单元，每个碱液水电解单元包括依次布置的阴极板2、阴极网5、隔膜4、阳极网6、阳极板3，以及根据碱液流动特性加工或形成的阴极小室反应通道7、阳极小室反应通道8、碱液入口腔室、氢气分离腔室10、氧气分离腔室11、阴极降液通道12与阳极降液通道13，所述碱液入口腔室、阴极小室反应通道7、氢气分离腔室10与阴极降液通道12依次连通并构成阴极碱液自然循环回路，所述碱液入口腔室、阳极小室反应通道8、氧气分离腔室11与阳极降液通道13液依次连通并构成阳极碱液自然循环回路，相邻两个碱液水电解单元中相对设置的阴极板2和阳极板3之间还形成有循环冷却水通道14。

在一些具体的实施方式中，所述阴极小室反应通道7由阴极板2的一侧、阴极网5与隔膜4一侧形成，其主要是为阴极水电解反应提供必要的区域，碱液夹带着阴极网5表面产生的氢气顺着阴极小室电解反应通道进入到极板上部的氢气分离腔室10。在一些具体的实施方式中，所述阳极小室反应通道8则由阳极板3的一侧、阳极网6与隔膜4另一侧形成，其主要是为阳极水电解反应提供必要的区域，碱液夹带着阳极网6表面产生的氧气顺着阴极小室电解反应通道进入到极板上部的氧气分离腔室11。这里需要说明的是，阴阳极小室的结构可以参考但是不局限于图4至图6所说明的结构。

在一些具体的实施方式中，所述阴极降液通道12、阳极降液通道13与循环冷却水通道14三者相互独立，并位于阴极板2或阳极板3的同一侧。另外，阴极降液通道12、阳极降液通道13均是由部分阴极板2与部分阳极板3的相对一侧形成的通道，在氢氧分离腔室闪蒸后的碱液通过分别经由阴极降液通道12和阳极降液通道13进入到碱液入口腔室，两股碱液可以在碱液入口腔室充分混合，经过混合后的碱液浓度变得均一，此设计可以在电解槽内部消除碱液极化问题。

在一些具体的实施方式中，所述阴极板2和阳极板3的正反两面均加工有花纹，其花纹形状满足提供流体分布与换热需求。具体的，该花纹主要是为碱液和电解产生的氢气和氧气提供流体通道。该花纹与板框式换热器原理相似，不仅可以提供更多的换热面积也是强制传热的一种有效措施，这样可以提高碱液的换热效率，使得碱液在阴/阳极小室电解反应通道的温度分布呈类等温分布。

在一些具体的实施方式中，所述循环冷却水通道14布置在阴极板2与阳极板3的中部区域。另外，所述阴极板2与阳极板3的顶部和底部的中间位置均可以分别设置有循环冷却水出口腔室15和循环冷却水入口腔室16，所述循环冷却水出口腔室15和循环冷却水入口腔室16分别连接所述循环冷却水通道14的上下两端。循环冷却水从双极板底部的循环冷却水入口腔室16进入，通过循环水冷却通道将两侧的阴/阳极小室电解反应通道产生的热量移除，这样，可以保证阴/阳极小室电解反应通道内的碱液操作温度维持在60～130℃等设计要求。具体的，循环冷却回水温度通过与碱液温度和串级控制循环冷却水流量，可以使得循环冷却水温度控制在40～110℃。

在一些具体的实施方式中，位于阴极板2和阳极板3底部的碱液入口腔室集成为一个整体腔室；该碱液入口腔室主要为来自阴/阳降液通道的碱液提供混合缓冲空间，同时也是阴/阳极小室电解反应通道碱液入口。这样可以实现阴阳互回，避免运行过程中出现浓差极化。

在一些具体的实施方式中，所述碱液入口腔室分为分别对应阴极板2和阳极板3的阴极碱液入口腔室902和阳极碱液入口腔室901，此时，所述阴极碱液入口腔室902与所述阳极降液通道13连通，所述阳极碱液入口腔室901与所述阴极降液通道12连通，此举也可以达到消除电解过程中碱液的极化现象。

在一些具体的实施方式中，所述碱液水电解单元还包括用于固定阴极板2和阳极板3的极框17，以及设置在两极框17之间用于密封的垫片。

更具体的实施方式中，极框17材料可以根据实际建造成本的情况而定，可以采用绝缘的非金属材料，也可以采用金属材料。当极框17采用绝缘材料时，可以获得更高的法拉第效率，降低单位制氢能耗和设备的总量，从而减低土建成本。但是由于非金属材料的强度问题，电解槽的操作压力将会受到限制，同时由于垫片亦为非金属材料，极框17与极框17之间需要靠垫片进行密封。长期使用可能会导致两种材料的融合，导致极框17很难被重复使用，增加了维护成本；当极框17使用金属材料时，虽然可以提高电解槽的运行压力，但是这将会增加杂散电流，降低法拉第效率。需要在极板碱液通道上设置绝缘部件来减少杂散电流，从而提高法拉第效率。因此极板的设计难度和复杂度也会提高。极框17是金属材料，密封垫片即使在长时间使用后也不会浸入到金属极框17内部。因此金属极框17是可以被反复使用，降低了后期的维护费用。

在一些具体的实施方式中，所述阴极小室反应通道7与氢气分离腔室10、阳极小室反应通道8与氧气分离腔室11的连接位置满足：从阴极小室反应通道7和阳极小室反应通道8产生的含有氢气和氧气的碱液分别从上部进入所述氢气分离腔室10和氧气分离腔室11。具体的，氢气分离腔室10和氧气分离腔室11均可以分为上部气体空间和下部碱液空间，含有对应氢气或氧气的碱液则进入上部气体空间进行闪蒸，实现气液分离。

在一些具体的实施方式中，阴极板2和阳极板3材质只需要满足耐碱液腐蚀即可。例如，304L/316L/310等奥氏体不锈钢材质，也可以采用碳钢镀镍，也可以采用纯镍等。同时，其形状可以采用方形、圆形，也可以采用其他形状，其不受形状的影响，可以采用各种形式。极板上的流道仅为流体分布和加大传热面积，因此极板上流道任何形式的改进都是朝这些方向发展。

本实用新型的技术方案之二提供了一种内置自循环换热多系统一体化高效电解方法，其基于如上任一所述的内置自循环换热多系统一体化高效电解槽装置，该方法包括以下步骤：

(1)当阴极板2和阳极板3通电时，碱液从碱液入口腔室分别进入阴极小室反应通道7和阳极小室反应通道8，并分别在阴极网5和阳极网6表面上发生电解产生氢气和氧气，得到含氢气气泡的碱液和含氧气气泡的碱液；

(2)含氢气气泡的碱液、含氧气气泡的碱液分别沿阴极小室反应通道7和阳极小室反应通道8上升进入氢气分离腔室10和氧气分离腔室11，进行气液分离，分离后的碱液液相分别通过阴极降液通道12和阳极将夜通道返回碱液入口腔室，这样，依靠气液两相密度差形成阴极碱液自然循环回路和阳极碱液自然循环回路；

(3)循环冷却水通道14中的循环冷却水持续运行，带走阴极板2和阳极板3上电解反应产生的热量。

以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。

下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。

实施例1：

采用如图2、图3所示的结构。

本实施例的自循环多系统一体化电解槽小室由极框17、阴极板2、阳极板3、阴极、阳极、垫片和隔膜4组成。

本实施例电解槽操作压力为1bar～1.5bar，极板外形为方型。为了避免阴阳两极的碱液极化问题，本实施例采用的是阴极碱液通过阳极降液通道13回到阳极碱液入口腔室901，阳极碱液通过阴极降液通道12回到阴极碱液入口腔室902。

本实施例的极框17，主要目的是为了固定阴极板2和阳极板3，从而形成阴阳小室。同时极框17的设计需要承受一定的内压，以满足电解槽的操作压力。极框17材料可以根据实际建造成本的情况而定，可以采用绝缘的非金属材料，也可以采用金属材料。当极框17采用绝缘材料时，可以获得更高的法拉第效率，降低单位制氢能耗和设备的总量，从而减低土建成本。但是由于非金属材料的强度问题，电解槽的操作压力将会受到限制，同时由于垫片亦为非金属材料，极框17与极框17之间需要靠垫片进行密封。长期使用可能会导致两种材料的融合，导致极框17很难被重复使用，增加了维护成本；当极框17使用金属材料时，虽然可以提高电解槽的运行压力，但是这将会增加杂散电流，降低法拉第效率。需要在极板的碱液通道上设置绝缘部件来减少杂散电流，从而提高法拉第效率。因此极板的设计难度和复杂度也会提高。极框17是金属材料，密封用的垫片即使在长时间使用后也不会浸入到金属极框17内部。因此金属材质的极框17是可以被反复使用，降低了后期的维护费用。

本实施例设置了阴极板2和阳极板3。阴极板2和阳极板3正反两面均设置了不同的流道，如图3。阴极板2与隔膜4形成了阴极小室，阴极板2与隔膜4之间放置阴极网5。当极板通电后，碱液通过阴极小室的通道(即阴极小室反应通道7)在阴极网5表面上发生电化学反应生成氢气，生成的氢气以气泡的形式从阴极网5表面脱附进入到碱液。同理，阳极板3与隔膜4形成了阳极小室，阳极板3与隔膜4之间放置阳极网6。当极板通电后，碱液通过阳极小室的通道(即阳极小室反应通道8)在阳极网6表面上发生电化学反应生成氧气，生成的氧气以气泡的形式从阳极网6表面脱附进入到碱液。

阴极板2和阳极板3之间形成的通道为循环冷却水通道14。电解反应产生的热量通过循环冷却水移除，以保证碱液的操作温度在阴/阳极小室内的分布处于类等温反应状态。碱液小室操作温度可以在60～130℃自由控制，避免损害局部高温损害隔膜4。循环冷却水的温度可以根据不同使用情况进行调节，如果下游有低压蒸汽用户，那么循环冷却水的回水温度可以调整为90～110℃。此温度的循环冷却水可以通过低温余热回收工艺来产生1～10barg的蒸汽供下游使用。

阳极板3与阴极板2组成的双极板底部设置了碱液入口腔室与循环冷却水腔室(即循环水入口腔室)。碱液入口腔室底部开有通道，该通道分别与双极板顶部设置的氢气分离腔室10和氧气分离腔室11的液相出口相通。与氢气分离腔室10相连的通道称为阴极降液通道12，与氧气分离腔室11相连的通道称为阳极降液通道13。阴极降液通道12、阳极降液通道13与循环冷却水通道14布置在同一侧，但是它们与循环冷却水通道14是不相连。

在电解过程中阴阳小室产生含有氢气和氧气的碱液分别从双极板顶部氢气分离腔室10和氧气分离腔室11的上部进入进行气液分离。分离后的碱液液相分别通过阴极降液通道12、阳极降液通道13回到双极板底部的碱液入口腔室。依靠气液两相密度差自然形成碱液循环，进而可以取消传统电解槽的强制循环设计。达到自循环一体化设计的目的。

由于本实施例专利采用的是一体化设计。为了避免在电解过程中产生电解液极化现象，经过氢气分离腔室10和氧气分离腔室11分离后的碱液，分别通过阴极降液通道12、阳极降液通道13回到双极板底部的碱液入口腔室混合，然后再从碱液入口腔室出口流入至阴阳小室进行水电解反应。

阴极板2和阳极板3材料可采用耐腐蚀的不锈钢材质。例如，304L/316L/310。也可以采用碳钢镀镍，也可以采用纯镍材质或者其它耐高温和高浓度碱液(通常为0～45％氢氧化钾或者氢氧化纳)的材质。

为了实现上述实用新型目的，本实施例直接将传统碱液水电解系统中的氢氧分离器单元，循环管路单元和碱液换热单元都高度集中一体化设计在电解槽设备中的装置。相比较于传统碱液水电解装置，本实施例的自循环多系统一体化的设计可以降低水电解系统的复杂程度；可以降低20～30％水电解系统的建造成本；也可以减少水电解系统的占地；也可以通过热量管理设计来提高水电解槽的运行效率；也可以产生90～110℃的热水，大大提高水电解废热的利用效率。

实施例2：

采用如图2，图4所示的结构。

本实施例的自循环多系统一体化电解槽由极框17、阴极板2、阳极板3、阴极、阳极、垫片和隔膜4组成。

本实施例电解槽操作压力为1bar～1.5bar，极板外形为方型。为了避免阴阳两极的碱液极化问题，本实施例采用的是碱液通过阳极降液通道13和阴极降液通道12混合后分别回到阴阳极碱液入口腔室901。

本实施例的极框17，主要目的是为了固定阴极板2和阳极板3，从而形成阴阳小室。同时极框17的设计需要承受一定的内压，以满足电解槽的操作压力。极框17材料可以根据实际建造成本的情况而定，可以采用绝缘的非金属材料，也可以采用金属材料。当极框17采用绝缘材料时，可以获得更高的法拉第效率，降低单位制氢能耗和设备的总量，从而减低土建成本。但是由于非金属材料的强度问题，电解槽的操作压力将会受到限制，同时由于垫片亦为非金属材料，极框17与极框17之间需要靠垫片进行密封。长期使用可能会导致两种材料的融合，导致极框17很难被重复使用，增加了维护成本；当极框17使用金属材料时，虽然可以提高电解槽的运行压力，但是这将会增加杂散电流，降低法拉第效率。需要在极板碱液通道上设置绝缘部件来减少杂散电流，从而提高法拉第效率。因此极板的设计难度和复杂度也会提高。极框17是金属材料，密封垫片即使在长时间使用后也不会浸入到金属极框17内部。因此金属极框17是可以被反复使用，降低了后期的维护费用。

本实施例设置了阴极板2和阳极板3。阴极板2和阳极板3正反两面均设置了不同的流道，如图4。阴极板2与隔膜4形成了阴极小室，阴极板2与隔膜4之间放置阴极网5。当极板通电后，碱液通过阴极小室的通道(即阴极小室反应通道7)在阴极网5表面上发生电化学反应生成氢气，生成的氢气以气泡的形式从阴极网5表面脱附进入到碱液。同理，阳极板3与隔膜4形成了阳极小室，阳极板3与隔膜4之间放置阳极网6。当极板通电后，碱液通过阳极小室的通道(即阳极小室反应通道8)在阳极网6表面上发生电化学反应生成氧气，生成的氧气以气泡的形式从阳极网6表面脱附进入到碱液。

阴极板2和阳极板3之间形成的通道为循环冷却水通道14。电解反应产生的热量通过循环冷却水移除，以保证碱液的操作温度在阴阳小室内的分布处于类等温反应状态。碱液小室操作温度可以在60～130℃自由控制，避免损害局部高温损害隔膜4。循环冷却水的温度可以根据不同使用情况进行调节，如果下游有低压蒸汽用户，那么循环冷却水的回水温度可以调整为90～110℃。此温度的循环冷却水可以通过低温余热回收工艺来产生1～10barg的蒸汽供下游使用。

阳极板3与阴极板2组成的双极板底部分别设置了阴极碱液入口腔室902、阳极碱液入口腔室901，循环冷却水腔室。阴极碱液入口腔室902、阳极碱液入口腔室901底部开有通道，该阴阳极通道分别与双极板顶部设置的氢气分离腔室10与氧气分离腔室11的液相出口相通。与氢气分离腔室10相连的通道称为阴极降液通道12，阴极降液通道12是与阳极碱液入口腔室901相连；与氧气分离腔室11相连的通道称为阳极降液通道13，阳极降液通道13是与阴极碱液入口腔室902相连。阴极降液通道12、阳极降液通道13与循环冷却水通道14布置在同一侧，但是它们与循环冷却水通道14是不相连。

在电解过程中阴阳小室产生含有氢气和氧气的碱液分别从双极板顶部氢气氧气分离腔室11和氧气分离腔室11的上部进入进行气液分离。分离后的碱液液相分别通过阴极降液通道12、阳极降液通道13回到双极板底部的碱液入口腔室。依靠气液两相密度差自然形成碱液循环，进而可以取消传统电解槽的强制循环设计。达到自循环一体化设计的目的。

由于本实施例专利采用的是一体化设计。为了避免在电解过程中产生电解液极化现象，经过氢气分离腔室10和氧气分离腔室11分离后的碱液，分别通过阴极降液通道12、阳极降液通道13回到双极板底部的阳/阴极碱液入口腔室902，然后再从阴/阳极碱液入口腔室901出口流入至阴/阳小室进行水电解反应。

阴极板2和阳极板3材料可采用耐腐蚀的不锈钢材质。例如，304L/316L/310。也可以采用碳钢镀镍，也可以采用纯镍材质或者其它耐高温和高浓度碱液(通常为0～45％氢氧化钾或者氢氧化纳)的材质。

为了实现上述实用新型目的，本实施例直接将传统碱液水电解系统中的氢氧分离器单元，循环管路单元和碱液换热单元都高度集中一体化设计在电解槽设备中的装置。相比较于传统碱液水电解装置，本实施例的自循环多系统一体化的设计可以降低水电解系统的复杂程度；可以降低20～30％水电解系统的建造成本；也可以减少水电解系统的占地；也可以通过热量管理设计来提高水电解槽的运行效率；也可以产生90～110℃的热水，大大提高水电解废热的利用效率。

实施例3：

采用如附图2，附图5所示的结构。

本实施例的自循环多系统一体化电解槽由极框17、阴极板2、阳极板3、阴极、阳极、垫片和隔膜4组成。

本实施例电解槽操作压力操作范围为1～30bar，极板外形采用圆型。为了避免阴阳两极的碱液极化问题，本实施例采用的是阴极碱液通过阳极降液通道13和阴极降液通道12混合后分别回到阴阳极碱液入口腔室901。

本实施例的极框17，主要目的是为了固定阴阳极板3，从而形成阴阳小室。同时极框17的设计需要承受一定的内压，以满足电解槽的操作压力。极框17材料可以根据实际建造成本的情况而定，可以采用绝缘的非金属材料，也可以采用金属材料。当极框17采用绝缘材料时，可以获得更高的法拉第效率，降低单位制氢能耗和设备的总量，从而减低土建成本。但是由于非金属材料的强度问题，电解槽的操作压力将会受到限制，同时由于垫片亦为非金属材料，极框17与极框17之间需要靠垫片进行密封。长期使用可能会导致两种材料的融合，导致极框17很难被重复使用，增加了维护成本；当极框17使用金属材料时，虽然可以提高电解槽的运行压力，但是这将会增加杂散电流，降低法拉第效率。需要在极板碱液通道上设置绝缘部件来减少杂散电流，从而提高法拉第效率。因此极板的设计难度和复杂度也会提高。极框17是金属材料，密封垫片即使在长时间使用后也不会浸入到金属极框17内部。因此金属极框17是可以被反复使用，降低了后期的维护费用。

本实施例设置了阴极板2和阳极板3。阴极板2和阳极板3正反两面均设置了不同的流道，如图5。阴极板2与隔膜4形成了阴极小室，阴极板2与隔膜4之间放置阴极网5。当极板通电后，碱液通过阴极小室的通道(即阴极小室反应通道7)在阴极网5表面上发生电化学反应生成氢气，生成的氢气以气泡的形式从阴极网5表面脱附进入到碱液。同理，阳极板3与隔膜4形成了阳极小室，阳极板3与隔膜4之间放置阳极网6。当极板通电后，碱液通过阳极小室的通道(即阳极小室反应通道8)在阳极网6表面上发生电化学反应生成氧气，生成的氧气以气泡的形式从阳极网6表面脱附进入到碱液。

阴极板2和阳极板3之间形成的通道为循环冷却水通道14。电解反应产生的热量通过循环冷却水移除，以保证碱液的操作温度在阴阳小室内的分布处于类等温反应状态。碱液小室操作温度可以在60～130℃自由控制，避免损害局部高温损害隔膜4。循环冷却水的温度可以根据不同使用情况进行调节，如果下游有低压蒸汽用户，那么循环冷却水的回水温度可以调整为90～110℃。此温度的循环冷却水可以通过低温余热回收工艺来产生1～10barg的蒸汽供下游使用。

阳极板3与阴极板2组成的双极板底部分别设置了阴阳极碱液入口腔室901，循环冷却水腔室。阴阳极碱液入口腔室901底部开有通道，该阴阳极通道分别与双极板顶部设置的氢氧气分离腔室11液相出口相通。与氢气分离腔室10相连的通道称为阴极降液通道12，阴极降液通道12是与阳极碱液入口腔室901相连；与氧气分离腔室11相连的通道称为阳极降液通道13，阳极降液通道13是与阴极碱液入口腔室902相连。阴极降液通道12、阳极降液通道13与循环冷却水通道14布置在同一侧，但是它们与循环冷却水通道14是不相连。

在电解过程中阴阳小室产生含有氢气和氧气的碱液分别从双极板顶部氢气和氧气分离腔室11的上部进入进行气液分离。分离后的碱液液相分别通过阴极降液通道12、阳极降液通道13回到双极板底部的碱液入口腔室。依靠气液两相密度差自然形成碱液循环，进而可以取消传统电解槽的强制循环设计。达到自循环一体化设计的目的。

由于本实施例专利采用的是一体化设计。为了避免在电解过程中产生电解液极化现象，经过氢气分离腔室10和氧气分离腔室11分离后的碱液，分别通过阴极降液通道12、阳极降液通道13回到双极板底部的阳/阴极碱液入口腔室902，然后再从阴/阳极碱液入口腔室901出口流入至阴/阳小室进行水电解反应。

阴极板2和阳极板3材料可采用耐腐蚀的不锈钢材质。例如，304L/316L/310。也可以采用碳钢镀镍，也可以采用纯镍材质或者其它耐高温和高浓度碱液(通常为0～45％氢氧化钾或者氢氧化纳)的材质。

为了实现上述实用新型目的，本实施例直接将传统碱液水电解系统中的氢氧分离器单元，循环管路单元和碱液换热单元都高度集中一体化设计在电解槽设备中的装置。相比较于传统碱液水电解装置，本实施例的自循环多系统一体化的设计可以降低水电解系统的复杂程度；可以降低20～30％水电解系统的建造成本；也可以减少水电解系统的占地；也可以通过热量管理设计来提高水电解槽的运行效率；也可以产生90～110℃的热水，大大提高水电解废热的利用效率。

实施例4：

采用如附图2，附图6所示的结构。

本实施例与实施例3组成结构一样，只是极板形式更换为附图6的结构。

本实施例的自循环多系统一体化电解槽由极框17、阴极板2、阳极板3、阴极、阳极、垫片和隔膜4组成。

本实施例电解槽操作压力为1bar～30bar，极板外形为圆型。为了避免阴阳两极的碱液极化问题，本实施例采用的是阴极碱液通过阳极降液通道13回到阳极碱液入口腔室901，阳极碱液通过阴极降液通道12回到阴极碱液入口腔室902。

本实施例的极框17，主要目的是为了固定阴阳极板3，从而形成阴阳小室。同时极框17的设计需要承受一定的内压，以满足电解槽的操作压力。极框17材料可以根据实际建造成本的情况而定，可以采用绝缘的非金属材料，也可以采用金属材料。当极框17采用绝缘材料时，可以获得更高的法拉第效率，降低单位制氢能耗和设备的总量，从而减低土建成本。但是由于非金属材料的强度问题，电解槽的操作压力将会受到限制，同时由于垫片亦为非金属材料，极框17与极框17之间需要靠垫片进行密封。长期使用可能会导致两种材料的融合，导致极框17很难被重复使用，增加了维护成本；当极框17使用金属材料时，虽然可以提高电解槽的运行压力，但是这将会增加杂散电流，降低法拉第效率。需要在极板碱液通道上设置绝缘部件来减少杂散电流，从而提高法拉第效率。因此极板的设计难度和复杂度也会提高。极框17是金属材料，密封垫片即使在长时间使用后也不会浸入到金属极框17内部。因此金属极框17是可以被反复使用，降低了后期的维护费用。

本实施例设置了阴极板2和阳极板3。阴极板2和阳极板3正反两面均设置了不同的流道，如图6。阴极板2与隔膜4形成了阴极小室，阴极板2与隔膜4之间放置阴极网5。当极板通电后，碱液通过阴极小室的通道在阴极网5表面上发生电化学反应生成氢气，生成的氢气以气泡的形式从阴极网5表面脱附进入到碱液。同理，阳极板3与隔膜4形成了阳极小室，阳极板3与隔膜4之间放置阳极网6。当极板通电后，碱液通过阳极小室的通道(即阳极小室反应通道8)在阳极网6表面上发生电化学反应生成氧气，生成的氧气以气泡的形式从阳极网6表面脱附进入到碱液。

阴极板2和阳极板3之间形成的通道为循环冷却水通道14。电解反应产生的热量通过循环冷却水移除，以保证碱液的操作温度在阴阳小室内的分布处于类等温反应状态。碱液小室操作温度可以在60～130℃自由控制，避免损害局部高温损害隔膜4。循环冷却水的温度可以根据不同使用情况进行调节，如果下游有低压蒸汽用户，那么循环冷却水的回水温度可以调整为90～110℃。此温度的循环冷却水可以通过低温余热回收工艺来产生1～10barg的蒸汽供下游使用。

阳极板3与阴极板2组成的双极板底部分别设置了阴阳极碱液入口腔室901，循环冷却水腔室。阴阳极碱液入口腔室901底部开有通道，该阴阳极通道分别与双极板顶部设置的氢氧气分离腔室11液相出口相通。与氢气分离腔室10相连的通道称为阴极降液通道12，阴极降液通道12是与阳极碱液入口腔室901相连；与氧气分离腔室11相连的通道称为阳极降液通道13，阳极降液通道13是与阴极碱液入口腔室902相连。阴极降液通道12、阳极降液通道13与循环冷却水通道14布置在同一侧，但是它们与循环冷却水通道14是不相连。

在电解过程中阴阳小室产生含有氢气和氧气的碱液分别从双极板顶部氢气和氧气分离腔室11的上部进入进行气液分离。分离后的碱液液相分别通过阴极降液通道12、阳极降液通道13回到双极板底部的碱液入口腔室。依靠气液两相密度差自然形成碱液循环，进而可以取消传统电解槽的强制循环设计。达到自循环一体化设计的目的。

由于本实施例专利采用的是一体化设计。为了避免在电解过程中产生电解液极化现象，经过氢气分离腔室10和氧气分离腔室11分离后的碱液，分别通过阴极降液通道12、阳极降液通道13回到双极板底部的阳/阴极碱液入口腔室902，然后再从阴/阳极碱液入口腔室901出口流入至阴/阳小室进行水电解反应。

阴极板2和阳极板3材料可采用耐腐蚀的不锈钢材质。例如，304L/316L/310。也可以采用碳钢镀镍，也可以采用纯镍材质或者其它耐高温和高浓度碱液(通常为0～45％氢氧化钾或者氢氧化纳)的材质。

为了实现上述实用新型目的，本实施例直接将传统碱液水电解系统中的氢氧分离器单元，循环管路单元和碱液换热单元都高度集中一体化设计在电解槽设备中的装置。相比较于传统碱液水电解装置，本实施例的自循环多系统一体化的设计可以降低水电解系统的复杂程度；可以降低20～30％水电解系统的建造成本；也可以减少水电解系统的占地；也可以通过热量管理设计来提高水电解槽的运行效率；也可以产生90～110℃的热水，大大提高水电解废热的利用效率。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电解槽装置，其特征在于，包括电解槽本体、以及安装在电解槽本体中的若干依次布置的碱液水电解单元，每个碱液水电解单元包括依次布置的阴极板、阴极网、隔膜、阳极网、阳极板，以及根据碱液流动特性加工或形成的阴极小室反应通道、阳极小室反应通道、碱液入口腔室、氢气分离腔室、氧气分离腔室、阴极降液通道与阳极降液通道。

2.根据权利要求1所述的一种电解槽装置，其特征在于，所述碱液入口腔室、阴极小室反应通道、氢气分离腔室与阴极降液通道依次连通并构成阴极碱液自然循环回路，所述碱液入口腔室、阳极小室反应通道、氧气分离腔室与阳极降液通道液依次连通并构成阳极碱液自然循环回路，相邻两个碱液水电解单元中相对设置的阴极板和阳极板之间还形成有循环冷却水通道。

3.根据权利要求2所述的一种电解槽装置，其特征在于，所述阴极降液通道、阳极降液通道与循环冷却水通道三者相互独立，并位于阴极板或阳极板的同一侧。

4.根据权利要求2所述的一种电解槽装置，其特征在于，所述循环冷却水通道布置在阴极板与阳极板的中部区域。

5.根据权利要求2所述的一种电解槽装置，其特征在于，所述阴极板与阳极板的顶部和底部的中间位置均分别设置有循环冷却水出口腔室和循环冷却水入口腔室，所述循环冷却水出口腔室和循环冷却水入口腔室分别连接所述循环冷却水通道的上下两端。

6.根据权利要求1所述的一种电解槽装置，其特征在于，所述阴极小室反应通道由阴极板的一侧、阴极网与隔膜一侧形成；

所述阳极小室反应通道则由阳极板的一侧、阳极网与隔膜另一侧形成。

7.根据权利要求1所述的一种电解槽装置，其特征在于，所述阴极板和阳极板的正反两面均加工有花纹，其花纹形状满足提供流体分布与换热需求。

8.根据权利要求1所述的一种电解槽装置，其特征在于，位于阴极板和阳极板底部的碱液入口腔室集成为一个整体腔室；

或所述碱液入口腔室分为分别对应阴极板和阳极板的阴极碱液入口腔室和阳极碱液入口腔室，此时，所述阴极碱液入口腔室与所述阳极降液通道连通，所述阳极碱液入口腔室与所述阴极降液通道连通。

9.根据权利要求1所述的一种电解槽装置，其特征在于，所述碱液水电解单元还包括用于固定阴极板和阳极板的极框，以及设置在两极框之间用于密封的垫片。

10.根据权利要求1所述的一种电解槽装置，其特征在于，所述阴极小室反应通道与氢气分离腔室、阳极小室反应通道与氧气分离腔室的连接位置满足：从阴极小室反应通道和阳极小室反应通道产生的含有氢气和氧气的碱液分别从上部进入所述氢气分离腔室和氧气分离腔室。